JP5857384B2 - 改良された信号対ノイズ比を用いる高ダイナミックレンジｘ線検出器 - Google Patents

Description

本発明は、電磁放射線、特にＸ線に関する検出器に関し、より詳細には、改良された信号対ノイズ比を持つ高ダイナミックレンジを提供するＸ線検出器パネルに関する。

Ｘ線コンバータは、Ｘ線放射線を光に変換することにより、シンチレータを用いた間接変換を用いて、又は、直接変換光伝導体を用いることにより電子正孔ペアへの直接変換（conversation）を用いて、Ｘ線放射線を光学光子に変換する。Ｘ線コンバータからの信号は、２次元ピクセル行列又はグリッドに通常は配置されるセンサ要素の行列により検出される。各ピクセルは、信号に関する収集デバイスを、例えば光学光子を電子に変換するためのフォトダイオードの形で、フォトゲートの形で、電子又は孔を直接集めるための光伝導体又は電極の形で含むことができる。いずれの場合でも、信号は、それが読み出される前にピクセルにおける静電容量に最終的に格納される。読み出し処理に関連する要素だけでなく、撮像前にストレージコンデンサをリセットすることは、信号に加えられる電子ノイズに貢献する。結果的に、利用可能な信号対ノイズ比が劣化する。

Ｘ線検出器は、しばしば、同じ画像における大きい範囲の信号を受け入れることを必要とされる。例えば、高密度材料を通過した非常に減衰した信号と、何の材料も通過しなかった直接放射線とを受け入れることを求められる。

最も強い放射線の正確な検出を可能にするには、信号対ノイズ比に関して不利な効果を持つ、低感度設定又は低感度範囲設定が選択されなければならない。従来技術のほとんどの検出器において、感度設定は、検出器の全てのピクセルに関して共通に有効となる。センサデバイスの静電容量の電圧をサンプリングするソースフォロワとしてほとんどが形成される、増幅器又はピクセルの読み出し段の多くは、限られたダイナミックレンジを持つ。

ダイナミックレンジに対する制限は、読み出しチェーンの飽和を回避するためにさらに低感度を選択することをユーザに強制する。

低感度設定は、弱い放射線レベルが、不可避な読み出しノイズにより実際に乱される小さな信号のみを与えることになることを意味する。不可避な読み出しノイズとは、ストレージコンデンサにおけるリセットノイズ及び読み出し段において加えられるノイズである。

より高感度の設定が、小さな放射線レベルだけが存在する領域で利用可能である場合、信号対ノイズ比は、非常に改良され、従って、画像品質はより良好となるであろう。

米国特許出願公開第２００６／０２３１８７５Ａ１号は、デュアル変換感度電荷ストレージを持つ撮像装置を開示する。デュアル変換感度要素（例えば、ショットキーダイオード）が、浮遊拡散領域と個別のコンデンサとの間で結合される。第１の変換感度から第２の変換感度へと浮遊拡散領域の変換感度を変化させるため、デュアル変換感度要素は、浮遊拡散領域に格納される電荷に基づき、コンデンサの静電容量を切り替える。追加的な側面において、例示的な実施形態は、ソースフォロア・トランジスタのゲートと浮遊拡散領域との間の抵抗接点を提供し、これは、ピクセルのデュアル変換感度出力信号の読み出しを支援する。

米国特許第６，４８６，８０８号は、下流のアナログデジタル信号変換器を含むデータ信号処理回路において、動的に制御可能な信号感度を持つプリアンプ段を開示する。そのプリアンプに後続するデータ信号のレベルが監視され、プリアンプ段の感度は、１つ又は複数の所定の閾値を越える斯かるデータ信号に基づき、動的に調整される。こうして、プリアンプ段の効果的なダイナミックレンジは拡張される。これにより、そうでなければアナログデジタル信号変換器のダイナミックレンジにより制限されていたであろう範囲を越えて、システム全体のダイナミックレンジも効果的に拡張される。斯かるプリアンプは、例えばフラットパネル半導体撮像デバイスを用いるＸ線撮像システムにおいて使用される。

本発明の目的は、より柔軟なダイナミックレンジを持つピクセルセンサデバイスを改良することである。

上記目的は、Ｘ線放射線に関する放射線検出器ピクセルとして請求項１に与えられる特徴により実現され、このピクセルは、センサデバイスを有し、入力電磁放射線の電気的な出力量への変換を制御する少なくとも１つの自動感度範囲制御デバイスと、少なくとも２つの感度範囲とを提供し、特性曲線が、動作範囲で連続的である。

取得される信号の動作範囲は、取得の間の検出器上の照射がない状態から検出器上で取得が飽和する状態まで広がる。追加的な照射が検出器の出力信号をもはや増加させないとき、飽和点に達する。

電気的な出力量は、出力電圧又は電荷量のいずれかとすることができる。

従来技術において、例えば２つの特徴的な動作曲線を結合することにより撮像のための高いダイナミックレンジを使用する原理は、光学センサにおいて使用されるよく知られた方法である。米国特許出願公開第２００６／０２３１８７５Ａ１号を参照すると、そこに記載される検出器ピクセルの特性曲線は、第１の傾斜を持つ第１の特性曲線と第２の傾斜を持つ第２の特性曲線との組合せであり、この場合、第１及び第２の特性曲線の交差が、非継続的に動作する点を提供し、従って、両方の動作特性曲線の交差点に関して、不正確さが存在する。これは、交差点における及びその近くにおいて、センサデバイスの全体の動作特性曲線における不一致をもたらす。すべてのピクセルに対して交差点における特性を更に一様とすることは、実現が困難である。

しかし、それらの方法はＸ線撮像を使用するには適切ではない。なぜなら、Ｘ線画像は、視界における画像より非常に大きなコントラスト範囲を提供するからである。有害なＸ線放射線に対する患者の露出を減らすことにより医療Ｘ線撮像におけるセンサの適用が適切であるよう、情報の喪失が回避されなければならない。

本発明において、露出時間の間のダイナミックレンジの選択は、自動的に行われる。これは、有利なことに、中断されない露出を可能にし、露出の間の画像情報の喪失なしに適切なダイナミックレンジを後続において選択することを可能にする。

デバイスの適切な小型化を実現するため、それ自身で静電容量を提供する光センサデバイスを使用することが有利である。請求項２に記載の少なくとも１つの静電容量は、検出器ピクセルにおいて容易に実現されることができ、従って、本発明は、放射線検出器ピクセルを提供する。この場合、センサデバイスは、光センサデバイスと少なくとも１つの静電容量とを有する。

有利には、いくつかの実施形態では、例えば請求項３によれば、少なくとも２つの感度範囲を提供するため、第１及び第２の静電容量の間での電荷の手動又は自動シフトのためのアクチュエータデバイスが与えられる。これは、放射線検出器ピクセルを提供し、そこでは、放射線検出器ピクセルが、自動感度範囲制御デバイスとして少なくとも１つのアクチュエータデバイスを提供する。これは、露出時間の間、及びそれ以後に、異なる感度の画像、即ち低及び高感度範囲画像を実現することを可能にし、ニーズを最適に満たす画像をユーザが選択することを可能にする。

アクチュエータデバイスは、最も簡単な場合スイッチとすることができるが、有利には任意の種類のトランジスタが使用されることができる。好ましくは電界効果トランジスタである。なぜなら、このトランジスタは、ピクセルデバイスのウェーハ設計において容易に実現されることができるからである。アクチュエータデバイスは、従来技術において行われるようなすべての単一の線ではなく、すべての単一のピクセルにおいて実現されるので、故障の場合、１つのアクチュエータデバイスの損失が、全体のピクセル線の損失ではなく、１つのピクセルの損失をもたらすことになる。これに従い、請求項４は、放射線検出器ピクセルを提供する。そこでは、アクチュエータデバイスは、ＦＥＴ又は他の任意のタイプのトランジスタである。

アクチュエータデバイスは、２つのスイッチング状態を持つスイッチとして実現されることができる。しかし、好ましくは、アクチュエータデバイスは、電荷ポンプ又はある種の自動弁で使用されることになる。これは、露出時間の間だけ、あふれている電荷を第１の静電容量から第２の静電容量へと自動的に転送する。

いくつかの実施形態において増幅デバイスが提供される。これは、一方でサンプリングされた電荷の増幅を可能にし、他方で画像受信と画像サンプリングとの分離を可能にする。これは、請求項６によれば、ピクセルデバイスの情報の時間独立したサンプリングを可能にするだけでなくノイズ削減も実現する点で有利である。この場合、ピクセルにおいて、少なくとも１つの増幅デバイスが、ピクセル出力電圧の感度範囲を制御する。

更に有利には、電荷ポンプ回路が少なくとも１つのサンプル及び保持回路と結合される、請求項７による組合せが、電荷ポンプ回路の形のアクチュエータデバイスの利点と、サンプル及び保持回路の利点とを組み合わせることを可能にする。前者は、露出時間の間に得られる情報が読み出し時間の間何ら喪失しないというものであり、後者は、露出時間の間、時間独立的に読み出しを処理することを可能にするものである。

本発明は有利である。なぜなら、各々のピクセルにおける少なくとも１つの静電容量を提供することが、各単一のピクセルの動作を自律的なものとし、これが、デバイス全体のより良い信頼性を提供するからである。更に、自動電荷ポンプとしてフォトセンサ容量又は追加的な静電容量を使用すると共に、ＦＥＴ又は他の任意のタイプのトランジスタを使用することから、本発明は、有利である。なぜなら、これは、コンデンサの１つのオーバフローを阻止し、それとともに、露出の間に得られる情報の喪失を阻止するからである。こうして、これは、ダイナミックレンジの利用を最適化し、及びノイズレベルを最適化するという観点でオペレータが最良の可能な選択を行うことを可能にするための複数のダイナミックレンジを提供するよう、露出の間、ダイナミックレンジの自動調整を可能にする。

更に追加的には、本発明は、請求項１に記載のＸ線放射線に関する少なくとも１つの放射線検出器ピクセルを備える放射線検出器システムを提供する。

更に、本発明は、Ｘ線放射線に関する検出器ピクセルを用いて電磁放射線を検出する方法を開示し、この方法は、
電磁放射線の露出を検出するステップと、
フォトダイオードと、線形ストレージ容量を備える少なくとも１つのコンデンサと、非線形ストレージ容量を備える少なくとも１つのコンデンサとに電荷を格納するステップと、
少なくとも１つのサンプル及び保持コンデンサに対して上記少なくとも１つのコンデンサに格納された電荷のサンプリングを行うステップと、
上記格納された電荷を用いて少なくとも追加的なコンデンサを充電するステップと、
少なくとも１つのサンプル及び保持コンデンサに対して上記少なくとも１つ及び上記追加的なコンデンサに格納された電荷のサンプリングを行うステップと、
高感度範囲モードにおいてサンプル及び保持コンデンサに対して上記格納された電荷を読み出すステップと、
低感度範囲モードにおいてサンプル及び保持コンデンサに対して上記格納された電荷を読み出すステップとを有する。

本発明は、電磁放射線の低及び高感度範囲の有利な検出を提供する。小さなコンデンサを用いる低感度における放射線の第１の選択が、ノイズを減らし、より大きいコンデンサへの自動又は手動によるスイッチオーバが、第２の範囲の放射線感度を持つことを可能にする。その場合、ノイズレベルは、許容可能であるが、高コントラスト画像を持つことを可能にする。更に、これは、被験者のＸ線撮像の画像情報を棄てることなしに、１つの同じ露出の情報を複数回使用することを可能にする。

好ましい実施形態において、本発明は、上記の利点を実現することを可能にするだけでなく、サンプル及び保持コンデンサを充電することにより、読み出し時間を最小化するためのサンプル及び保持回路の組合せも提供する。これは、少なくとも１つの感度範囲の読み出しステップと並行して露出ステップを提供することを可能にする。これは、有利には露出にかかる時間を節約し、被験者がＸ線放射線に露出されるのを最小化する。

本発明は、３つの後述の方法の組合せを有する、Ｘ線放射線に関する検出器ピクセルを用いて電磁放射線を検出する方法を開示する。

本発明は、放射線検出器システムを制御するためのコンピュータプログラムを開示する。これは、複数の動作感度範囲を用いてピクセル回路を制御するための制御信号を提供する。

更に追加的には、本発明は、放射線検出器システムを制御するコンピュータプログラムを有する媒体を提供する。これは、複数の動作感度範囲を用いてピクセル回路を制御するための制御信号を提供する。

更に、間接的及び直接的なＸ線コンバータに、及び光学撮像に対して本発明を適用することも可能である。

従来技術によるフラットパネルＸ線検出器の概略図である。 従来技術によるピクセルセルの概略図である。 本発明の実施形態による高ダイナミックレンジＸ線検出器ピクセルの第１の実現である。 図３ａの回路に関するタイミング及び制御信号の信号タイミング図である。 本発明の実施形態による高ダイナミックレンジＸ線検出器ピクセルの第２の実現である。 図４ａの回路に関するタイミング及び制御信号の信号タイミング図である。 本発明の実施形態による高ダイナミックレンジＸ線検出器ピクセルの第３の実現である。 図５ａの回路に関するタイミング及び制御信号の信号タイミング図である。 本発明の実施形態による高ダイナミックレンジＸ線検出器ピクセルの第４の実現である。 図６ａの回路に関するタイミング及び制御信号の信号タイミング図である。 本発明の実施形態による高ダイナミックレンジＸ線検出器ピクセルの第５の実現である。 図７ａの回路に関するタイミング及び制御信号の信号タイミング図である。 本発明の実施形態による高ダイナミックレンジＸ線検出器ピクセルの第５の実現の変形例である。 本発明の実施形態による高ダイナミックレンジＸ線検出器ピクセルの第６の実現である。 図８ａの回路に関するタイミング及び制御信号の信号タイミング図である。 本発明の実施形態による高ダイナミックレンジＸ線検出器ピクセルの第７の実現である。 図９ａの回路に関するタイミング及び制御信号の信号タイミング図である。 従来技術の放射線検出デバイスの特徴を示す、照射対出力電圧Ｖｏｕｔのチャートである。 本発明による照射対出力信号の２つのチャートを概略的に示す図である。 本発明による照射対出力信号の２つのチャートを概略的に示す図である。

本発明が、以下実施形態の例を参照してより詳細に説明されることになるが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

図面における説明は、概略的なものである。異なる図面において、同様な又は同一の要素は、同じ参照符号を用いて提供される。

図１は、フラットパネルＸ線検出器に関する典型的な例を示す。この検出器は、ピクセル３０３から作られるピクセル行列１０２から成る。行は、行選択線３２４を駆動するシフトレジスタ１３３を用いて読み出しのために選択される。ピクセル３０３からの電圧値は、列３２５において読み出され、増幅器１４１に向けられる。ここで、増幅器１４１から得られるデータ情報は、列毎に１つの画像へと結合される。ピクセル動作を制御する制御線は好ましくは、ピクセル行列の１つの側に沿って延在し、及び従って数ピクセルの行列をまとめることを可能にする。こうして、より大きな検出器表面を実現するため、ピクセル行列は、例えば、規則的な（矩形又は六角形の）グリッド状タイルにおいて配置されることにより、行及び列において組織化されることができる。

本発明における放射線は、例えば光又はＸ線といった任意の種類の電磁放射線とすることができる。センサデバイスは、例えば光ダイオード、フォトゲート又は光伝導体といった光センサデバイスの組合せである。実際にはセンサデバイスは寄生静電容量を持つので、センサ要素は、本質的には静電容量を提供する。しかし、いくつかの実施形態では、センサ要素は、静電容量に並列に接続されるフォトセンサの組合せとして形成されることができる。

こうして、センサデバイスは、光センサデバイス及び少なくとも１つの静電容量を有する。この場合、静電容量も、フォトダイオード、光伝導体等の固有の静電容量により提供されることができる。従来技術の文献において、高ゲイン範囲又は低ゲイン範囲という用語はそれぞれ、高感度範囲又は低感度範囲を決定するのに使用される。従って、ゲイン範囲及び感度範囲という用語は、本明細書では同義語として考えられるべきである。

図２は、従来技術のピクセルセルの実施形態を提供する。ピクセルにおいて、センサデバイス及び複数の要素が提供される。リセットスイッチ３１２は、良く知られた状態へとフォトダイオードを充電する。シンチレータから来る光（光学光子）が、フォトダイオード３１１により電荷へと変換される。Ｘ線は、光伝導体により直接変換されることもできる。追加的な電荷が、光ダイオード自体の静電容量、及び／又はオプションで専用のピクセルコンデンサ３５０に格納される電荷に加えられ、こうして、フォトダイオード／ピクセル静電容量にわたる電荷及び電圧が変化する。

ソースフォロワ３１３は、この電圧の複製をそのソースで利用可能にする。読み出しスイッチ３１４が行選択線３２４により起動される場合、フォトダイオード電圧の複製が、画像を提供するため行列周辺の増幅器に対して利用可能とされる。

図３ａは、高ダイナミックレンジ・ピクセルの第１の実現を示す。ここでは、フォトダイオード３１１及びピクセル静電容量での電圧振幅偏差又は電圧揺動が、読み出し増幅器３１３にとって許容可能な電圧揺動より大きいと仮定される。また、図３ｂを参照すると、フォトダイオード３１１、ピクセルコンデンサ３５０及び低感度コンデンサ３５１が、読み出し前にリセットされる。スイッチ３６０は、露出の前に開かれる。露出の間、集められる電荷は、ノードＡでの電圧降下をもたらす。電圧降下が十分に小さい場合（低露出）、第１の高感度範囲読み出しのとき、この電荷が、読み出し増幅器３１３を通過することになる。電圧降下があまりに大きい場合、増幅器３１３は信号を削減する（歪める）。こうして、画像情報は、処理されることができない。続いて、スイッチ３６０が起動され、フォトダイオード／ピクセル静電容量３１１、３５０上に集められた電荷が、低感度コンデンサ３５１へと再分配されることになる。こうしてノードＡでの電圧揺動は減らされ、低感度信号は、歪められない状態で増幅器３１３を通過することができる。最適な信号対ノイズ比が維持されるよう、高感度範囲及び低感度範囲の画像読み出しが共に適切な態様で組み合わされる。本発明の重要な側面は、単一の露出の弱い信号が高感度で読み出され、同じ露出のより強い信号が低感度で読み出されることを可能にするため、両方の感度範囲に対してまさに同じ信号電荷が使用されることである。こうして、単一の露出の画像情報を失うことなく大きなダイナミックレンジが可能にされ、この処理における電荷の損失も回避される。両方とも、医療Ｘ線撮像に対して固有な要件である。医療Ｘ線撮像では、患者の健康に対するリスクを下げるため、撮像処理に貢献しないＸ線放射線への患者の露出が、Ｘ線撮像において回避されるべきである。

高感度範囲と低感度範囲との間のステップは、ノードＡでの電圧揺動と増幅器にとって許容可能な電圧揺動との比率により決定されることになる。これは通常、係数２のオーダーにある。

図３ｂは、実現及び駆動方式を示す。ライン３２２における最初のハイレベルは、センサデバイスをリセットするためにスイッチ３１２を起動させるものである。ライン３４０における最初のハイレベルは、スイッチ３６０がフォトダイオード／ピクセル静電容量３５０、３５１を初期化することを可能にする。露出の間、進行する露出時間と共に、ノードＡでの電圧レベルが下がっていく。露出後順次、ハイレベル３２４が、高感度範囲読み出しが行われるよう起動される。ライン３４０におけるハイレベルが、スイッチ３６０を開き、低感度範囲読み出しを可能にする。ライン３２４での続くハイレベルが、低感度読み出しが行われることを可能にする。

図４ａ及び図４ｂは、代替的な実現及び駆動方式を示す。これは、高感度範囲及び低感度範囲増幅器を利用する。高感度範囲増幅器３７０は、前述の例で既に示されたように、限定された許容可能な電圧揺動を持つ。小さな信号は、第１の読み出しにおいて増幅器３７０を介して読み出される。より大きな信号に対しては、増幅器が飽和することになり、こうして、歪みが発生し、センサ出力での信号は有効でない。第２の読み出しにおいて、低感度範囲増幅器３７１が、感度選択線３４０を介して選択される。更なる低感度は、後続段を通過した信号が歪められないことを確実にする。

高感度と低感度との間のステップは、ノードＡでの電圧揺動と増幅器にとって許容可能な電圧揺動との比率により決定されることになる。これは通常、係数２のオーダーである。増幅係数を任意に選択することが可能である。従って、増幅係数を１に選択する場合、回路の簡略化を実現するため増幅器を無視する（leave out）ことが可能である。

また、図４ｂを参照すると、ライン３２２におけるハイレベルが、スイッチ３１２を初期化し、フォトダイオード３１１、ピクセルコンデンサ３５０及び低感度コンデンサ３５１が、読み出し前にリセットされる。続いて露出が行われ、露出の間集められた電荷が、ノードＡでの電圧降下をもたらす。電圧降下が十分に小さい場合（低露出）、電荷は、第１の高感度範囲読み出しのとき、読み出し増幅器３１３を通過することになる。電圧降下があまりに大きい場合、増幅器３１３は、飽和することになり、信号を削減する（歪める）。こうして、画像情報が処理されることができない。続いて、低感度範囲増幅器３７１は、スイッチ３７２を起動させる感度選択線３４０を介して選択される。こうしてノードＡでの電圧揺動は減らされ、低感度信号は、歪められないで増幅器３１３を通過することができる。最適な信号対ノイズ比が維持されるよう、高感度範囲及び低感度範囲の画像読み出しが共に適切な態様で組み合わされる。

図５ａは、図３ａに示されるのと同じ原理に基づかれる改良型の回路を示す。

トランジスタ３６０は、あるときはスイッチとして使用され、別のときは電荷転送デバイスとして使用される。従って、アクチュエータデバイスという用語が両方の場合をカバーするために使用される。追加的な記載が、図７ｂを参照して与えられる。

ここでの改善は、電圧依存静電容量３５９がフォトダイオードノードＡに加えられる点にある。好ましくは、ノードＡでのピクセル電圧が増幅器３１３にとって許容可能な範囲にあるとき、電圧依存コンデンサ３５９が低い一定の静電容量を持つ。電圧が許容可能な電圧範囲より低く低下するとすぐ、電圧依存コンデンサ３５９の静電容量が鋭く増加し、こうして追加的な信号に対する増加されたストレージ容量を提供することが望ましい。

再度図５ｂを参照すると、第１の高感度読み出しにおいて、小さな信号が歪められることなく読み出される。ライン３４０におけるハイレベルと関連して、ライン３２２におけるハイレベルは、フォトダイオード３１１、コンデンサ３５０、３５１及び３５９をリセットするため、スイッチ３１２及びスイッチ３６０を起動させる。ライン３２４におけるハイレベルはまず、高感度読み出しを初期化する。後続の低感度読み出しに対して、ライン３４０におけるハイレベルが、スイッチ３６０を用いてより大きなコンデンサ３５１の追加を引き起こす。より長い露出の間、大きな信号は、フォトダイオード３１１、ピクセル静電容量３５０及び電圧依存コンデンサ３５９の並列接続上に格納されることになる。電荷は、再分配され、電圧は増幅器３１３にとって許容可能なレベルまで低下する。電圧の低下は、電圧依存コンデンサが、低い一定の静電容量レジームにおいて感度を持ち、その結果、読み出しにおいて非線形性を加えないことも確実にする。

電圧依存増幅器により提供される追加的なストレージが、高感度読み出しと低感度読み出しとの間のより大きなステップを可能にする。２〜４の係数が合理的なようである。

図６ａは、図５ａにおける回路の変形例を示す。これは、線形の小さなピクセルコンデンサ３５０だけを使用する非常に高感度の設定を提供する。この設定において、利用可能な二重読み出しは存在しない。

制御線３４０及びスイッチ３６０を介して、第１の高感度読み出しを提供するため、追加的な一定の電圧依存静電容量３５１、３５９が加えられることができる。高感度読み出しに続いて、制御線３４１及びスイッチ３６１を起動させた後、低感度読み出しが行われる。

図６ｂは、図５ｂに類似する高感度／低感度読み出しに関する対応するタイミングスキームを与える。

電圧依存増幅器により提供される追加的なストレージが、高感度読み出しと低感度読み出しとの間のより大きなステップを可能にする。２〜４の係数が合理的なようである。

図７ａは、電圧依存コンデンサに依存しない代替的な実現を与える。

従って、それらのデバイスに関連して起こりうる非線形性も回避される。

構造的に、この回路は、図３ａと同一であるように見える。しかしながら、トランジスタ３６０は、あるときはスイッチとして使用され、別のときは電荷ポンプとして使用される。

図７ｂにおけるタイミングスキームを参照すると、ハイレベル３４０は、ピクセルリセットを起動するライン３２２におけるハイレベルの間、完全にスイッチオンされるトランジスタ３６０を起動させる。その結果、フォトダイオード３１１、ピクセルコンデンサ３５０及びログ感度コンデンサ３５１がすべて完全に充電される。

続いて、トランジスタ３６０のゲート電圧３４０が、ある中間レベルへと下げられる。ソース及びドレインノードが、ゲート電圧から閾値電圧を引いた値より正量として大きい限り、トランジスタ３６０はオフにされることになり、フォトダイオード３１１及びピクセルコンデンサ３５０だけが感度を決定する。小さな信号は、これらのコンデンサ（図７ｂの左部分）により決定される高感度で処理される。大きな信号は、トランジスタ３６０を導通状態にするためノードＡにおける電圧をかなり十分低下させることになる。電荷は、トランジスタ３６０を介してノードＡからノードＣ及び低感度コンデンサ３５１へと流れることになり、このトランジスタは、電荷ポンプ又は電荷転送デバイス（図７ｂの右部分）として機能している。

大きな露出が終わるとき、ソース電圧がゲート電圧から閾値電圧を引いた値に達するとすぐ、このトランジスタは、コンデンサ３５０からコンデンサ３５１への電荷の転送を止めることになる。トランジスタ３６０のゲート電圧は、完全にオフにされるか（図示省略）、又は一定に保たれることができる。

続いて、第１の読み出しが、小さな露出レベルを用いてすべてのピクセルの正確な読み出しを提供する。大きな露出の間のピクセルは一定の信号を示すことになる。なぜなら、すべての余分な電荷は低感度コンデンサ３５１へと転送されたからである。

高感度読み出しの後、トランジスタ３６０は完全にオンにされる。これは、フォトダイオード３１１、ピクセルコンデンサ３５０及び低感度コンデンサ３５１を並列して効率的にオンにする。電荷は、再分配され、結果として生じる電圧は、歪められずに増幅器３１３を通過することができる。

高感度及び低感度の間の感度範囲の比率は、ノードＡでの静電容量とノードＣでの静電容量との比率によってのみ決定される。

すべてのときにおいてトランジスタ３６０を完全にオン又はオフにするようチューニングすることにより、固定された低感度又は高感度設定が実現されることができる。

図７ｃにおいて、図７ａからの回路は、１つ又は複数の電荷ポンプトランジスタ／コンデンサ３６１、３５２等を基本回路に加えることにより拡張される。

露出の間、電荷はまず、フォトダイオード３１１及びピクセルコンデンサ３５０に格納されるであろう。

ピクセルコンデンサ３５０が十分に充電される場合、余分な電荷は、低感度コンデンサ３５１へとトランジスタ３６０を介して転送される。更に低感度のコンデンサ３５１が同様に完全に充電されるとき、この電荷は、非常に低感度のコンデンサ３５２へとトランジスタ３６１により転送される。このスキームは、拡張されることができる。

第１の読み出しは、フォトダイオード３１１及びコンデンサ３５０の電圧だけを感度良く読み出すことになる。第２の読み出しに対して、トランジスタ３６０は、完全にオンにされる。第３の読み出しの間、トランジスタ３６１も、完全にオンにされることになる。こうして、高感度から低感度への画像のシリーズが得られる。画像は、適切に組み合わせられる必要がある。

こうして、露出時間の間、トランジスタ３６０は、入力電磁放射線の電気的な出力量への変換を自動制御する自動感度範囲制御デバイスを規定し、及び読み出し時間の間、トランジスタ３６０は、読み出し時間の間の複数の感度範囲を選択するセレクターデバイスを提供する。

図８ａは、図７ａの変形例を示し、これは露出及び読み出しを並列化することを可能にする。

図７ａの回路において、露出後、まず高感度モードで完全な画像が通常は読み出され、その後、トランジスタ３６０が完全にオンにされ、低感度読み出しが行われる。ピクセル電圧は、読み出し時間の間の追加的な露出により変化されるべきでない。大きな画像に対する読み出し時間は、かなりのものになる可能性がある。その結果、画像レートが明らかに減らされる。

米国特許出願公開第２００３００１１６９４Ａ１号から、ピクセルにおけるフォトダイオードから読み出される電圧を格納することを可能にする回路が知られる。これはすべてのピクセルに対して並列に実行されるので、非常に高速である。この中間的なストレージの後、フォトダイオードはリセットされることができ、中間的なストレージにおける信号が読み出される間、次の露出が開始されることができる。

図８ａは、それぞれスイッチ３１５及び３１６の起動のすぐ後に、すべてのピクセルに対する高感度及び低感度信号を並列に格納するため、２つの中間的なストレージデバイス３１７を使用する。これに続き、フォトダイオードがリセットされ、露出が再開される。並行して、それぞれ、行選択線３２４及び３２６を介して、関連付けられる読み出しスイッチ３１４を起動させることにより、高感度画像及び低感度画像が読み出されることができる。

図８ｂは、対応するタイミングスキームを与える。ハイレベル３４０は、ピクセルリセットを起動するライン３２２におけるハイレベルの間、完全にスイッチオンされるトランジスタ３６０を起動させる。その結果、フォトダイオード３１１、ピクセルコンデンサ３５０及びログ感度コンデンサ３５１がすべて完全に充電される。

続いて、トランジスタ３６０のゲート電圧３４０が、ある中間レベルへと下げられる。ソース及びドレインノードが、ゲート電圧から閾値電圧を引いた値より正量として大きい限り、トランジスタ３６０はオフにされることになり、フォトダイオード３１１及びピクセルコンデンサ３５０だけが感度を決定する。行選択線３１５及び３１６はそれぞれ、サンプル及び保持回路の起動を可能にする。この回路は、コンデンサ３１７に電荷を転送する。こうして、ライン３２４における高感度読み出しの間、次の露出が行われることができ、行選択線３２４における低感度読み出しが起動される。小さな信号は、これらのコンデンサ（図７ｂの左部分）により決定される高感度を見ることになる。大きな信号は、トランジスタ３６０を導通状態にするためノードＡにおける電圧をかなり十分低下させることになる。電荷は、トランジスタ３６０を介してノードＡからノードＣ及び低感度コンデンサ３５１へと流れることになり、このトランジスタは、電荷ポンプ（図７ｂの右部分）として機能している。

大きな露出が終わるとき、ソース電圧がゲート電圧から閾値電圧を引いた値に達するとすぐ、このトランジスタは、コンデンサ３５０からコンデンサ３５１への電荷の転送を止めることになる。トランジスタ３６０のゲート電圧は、完全にオフにされるか（図示省略）、又は一定に保たれることができる。

続いて、第１の読み出しが、小さな露出レベルを用いてすべてのピクセルの正確な読み出しを提供する。大きな露出の間のピクセルは一定の信号を示すことになる。なぜなら、すべての余分な電荷は低感度コンデンサ３５１へと転送されたからである。

高感度読み出しの後、トランジスタ３６０は完全にオンにされる。これは、フォトダイオード３１１、ピクセルコンデンサ３５０及び低感度コンデンサ３５１を並列して効率的にオンにする。電荷は、再分配され、結果として生じる電圧は、歪められずに増幅器３１３を通過することができる。

高感度及び低感度の間の感度範囲の比率は、ノードＡでの静電容量とノードＣでの静電容量との比率によってのみ決定される。

すべてのときにおいてトランジスタ３６０を完全にオン又はオフにするようチューニングすることにより、固定された低感度又は高感度設定が実現されることができる。行選択線３１５及び３１６はそれぞれ、サンプル及び保持回路を起動させることを可能にする。この回路は、コンデンサ３１７に電荷を転送する。こうして、ライン３２４における高感度読み出しの間、次の露出が行われることができ、行選択線３２４における低感度読み出しが起動される。

実際の読み出しが次の露出と並行して実行されることができる点は明らかである。

スイッチ３１５及び３１６に対する適切な制御線が必要とされる。

図９ａは、図８ａと同じ目的で機能する代替的な回路を与える。

ここでは、両方の中間的なストレージデバイス３１７が、１つの出力増幅器３１９及び１つの読み出しスイッチ３１４を介して順次読み出されることができる。スイッチ３１５、３１６、３８１及び３８２に対する適切な制御線が必要とされる。

図９ｂは、図８ｂを参照して対応するタイミングスキームを与える。

図１０は、従来技術の放射線検出デバイスの特徴を示す、照射対出力電圧Ｖｏｕｔのチャートである。このデバイスは、より低い範囲において作動される。この場合、処理特性は、点Ｃで電圧閾値に達するまで第１の傾斜を示し、その後、第２の傾斜の処理特性を示す。点Ｃにおいて、処理特性は不連続性を持つ。

図１１ａ及び図１１ｂは、本発明による照射対出力信号の２つのチャートを概略的に示す。図１１ａは、低感度範囲に対する電荷であり、図１１ｂは、高感度範囲に関するチャートである。処理点特性は、入力放射線の量及び出力量の間の比率として規定される。いずれの場合も処理特性は、動作範囲において連続している。そこでは、動作範囲は、ゼロから飽和まですべての動作点を参照する。

ここに示される回路は、電圧読み出しを使用するが、同じ原理が、第１のソースフォロワ３１３のゲートノードからの電荷読み出しに使用されることもできる。

フォトダイオード３１１は、間接Ｘ線コンバータと共に使用される。しかしながら、例えば光伝導体といった直接的なコンバータに関して、これは、電荷収集電極により置換されることができる。別の実施形態では、この回路は、結晶質、多結晶又はアモルファス半導体を用いて構築されることができる。

異なる範囲の複数の画像を組み合わせる画像に対しては、１つの連続的な、大きなダイナミックレンジ出力画像を与えるため、高感度及び低感度画像が、好ましくは何らかの重複を持つようマッチされることができる。

修正及び変化が当業者により提案されることができるが、従来技術を超える貢献の範囲に合理的かつ適切に含まれるものとして、本書に保証される特許の範囲内ですべての変化及び修正を実現することが発明者の意図である。

Claims (9)

1. センサデバイスを備えたＸ線放射線に関する放射線検出器ピクセルであって、
   露出中に収集された電荷が保存される第１の静電容量と、第１の感度範囲の読み出しを可能にする第１の読み出し増幅器とを備えたものであって、
   前記放射線検出器ピクセルにて実装されたアクチュエータデバイスを備え、
   前記アクチュエータデバイスは、前記放射線検出器ピクセルへの入射電磁放射線に応じた電気的な出力量に応じて活性化または非活性化し、
   前記アクチュエータデバイスの活性化は、
   前記第１の静電容量と前記放射線検出器ピクセルの第２の静電容量との間の電荷の再分配および／または、
   前記放射線検出器ピクセルの前記第１の読み出し増幅器から第２の読み出し増幅器に切り替えて、露出の信号電荷の第２の感度範囲の読み出しを可能にし、
   それぞれの感度範囲は、入射電磁放射線と電気的な出力量との間の比率が、飽和までの動作点を示す動作範囲において連続している
   ことを特徴とする放射線検出器ピクセル。
2. 前記センサデバイスが、光センサデバイスを含むことを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器ピクセル。
3. 前記アクチュエータデバイスが、ＦＥＴ又は他の任意のタイプのトランジスタであることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線検出器ピクセル。
4. 前記アクチュエータデバイスが、前記第１の静電容量と前記第２の静電容量との組合わせにおいて電荷ポンプを提供することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の放射線検出器ピクセル。
5. 前記放射線検出器ピクセルにおいて、少なくとも１つの増幅デバイスが、該放射線検出器ピクセルの出力電圧の感度範囲を制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の放射線検出器ピクセル。
6. 前記電荷ポンプの回路が、少なくとも１つのサンプル及び保持回路と結合されることを特徴とする請求項４に記載の放射線検出器ピクセル。
7. 請求項１に記載のＸ線放射線に関する少なくとも１つの放射線検出器ピクセルを提供する放射線検出器システム。
8. 請求項１に記載のＸ線放射線に関するピクセルを含む電磁放射線検出器を制御する方法において、
   電磁放射線の露出を検出するステップと、
   第１の静電容量に電荷を格納するステップと、
   第１のサンプル及び保持コンデンサに対して前記第１の静電容量に格納された電荷のサンプリングを行い、前記放射線検出器ピクセルの前記第１の静電容量と第２の静電容量との間で電荷を再分配するステップと、
   第２のサンプル及び保持コンデンサに対して前記第１の静電容量と前記第２の静電容量とに格納された電荷のサンプリングを行うステップと、
   高感度範囲モードにおいて、前記第１のサンプル及び保持コンデンサに対して前記格納された電荷を読み出すステップと、
   低感度範囲モードにおいて、前記第２のサンプル及び保持コンデンサに対して前記格納された電荷を読み出すステップと
   を含む、方法。
9. 請求項１に記載のＸ線放射線に関する放射線検出器ピクセルを用いて電磁放射線を検出するデバイスであって、
   ２つの静電容量とアクチュエータデバイスとを提供し、
   前記アクチュエータデバイスが、格納回路間で電荷を搬送することを可能にし、
   前記搬送が、ドレインソース電圧と外部制御電圧からゲート電圧を引いた電圧との間の比率により決定される
   ことを特徴とするデバイス。

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